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Física termodinámica y de Fluidos

                    Proyecto:

              COHETE HIDRAÚLICO




            AVANCES - 2 - CORTE




          Presentado a: Javier Bobadilla



                 Presentado Por:
                   Jair Herrera
                 William Ramos
            Alexandra Segura Gómez




             Bogotá D.C Abril de 2013

Escuela Colombiana de Carreras Industriales – ECCI
INTRODUCCION Y ANTECEDENTES:

La propulsión a chorro es conocida por el hombre desde hace más de 2000 años,
cuando Herón de Alejandría invento un artefacto conocido como eolípila, el cual
era un dispositivo esférico con 2 tubos diametralmente opuestos que expulsaban
vapor que estaba al interior de la esfera y que provenía de un depósito de agua
que se calentaba y que estaba conectado por 2 tubos a la esfera y que a su vez
servían de soporte y eje de giro de la misma, ya que al salir el vapor, producía el
empuje necesario para hacer rotar la esfera sobre su eje. (Ver figura 1).




(Figura 1. Replica moderna de una eolípila de Heron.)

Esta máquina fue desarrollada por simple curiosidad científica de su inventor pero
desafortunadamente nunca pasó de ser más que un juguete exótico, sin que nadie
se percatara de sus usos prácticos.

Tuvieron que pasar más de 1500 años para que hombres como el propio Galileo
Galilei, y el gran Sir Isaac Newton sentaran las bases teóricas que permitirían
explicar fenómenos como el mostrado en este artefacto.
MARCO TEÓRICO:

Para una clara comprensión de los fenómenos que se analizaran a través del
experimento propuesto, es necesario primero conocer y recordar algunos
conceptos y leyes físicas en los que se fundamenta esta actividad y que se
relacionaran a continuación:

Principio de Arquímedes: todo cuerpo sumergido en un fluido experimenta un
empuje vertical y hacia arriba igual al peso de fluido desalojado.

Principio de Pascal: La presión ejercida sobre la superficie de un líquido
contenido en un recipiente cerrado se transmite a todos los puntos del mismo con
la misma intensidad. (Ver figura 2)




(Figura 2. Representación Grafica del principio de Pascal)

                                             Leyes de Newton:

  Primera Ley de Newton o                 Segunda Ley de Newton o                    Tercera Ley de Newton o

         Ley de Inercia                           Ley de Fuerza                      Ley de acción y reacción

Todo cuerpo permanece en estado de       Siempre que una fuerza no equilibrada     Cuando una fuerza determinada actúa
reposo o continúa con un movimiento     actúe sobre un cuerpo, se produce una       sobre un cuerpo, éste reacciona con
rectilíneo uniforme, siempre y cuando   aceleración en la dirección de la fuerza   una fuerza con igual magnitud, pero en
una fuerza externa no actúe sobre él.    que es directamente proporcional a la                sentido Opuesto.
                                        fuerza e inversamente proporcional a la
                                                    masa del cuerpo.




                                    Tiro Parabólico y Caída libre:

Aplican los conceptos ya conocidos del movimiento uniforme rectilíneo y
movimiento uniforme acelerado, junto con sus respectivas ecuaciones
OBJETIVO GENERAL:

Diseñar y construir un dispositivo funcional que se desempeñe como un cohete de
propulsión a chorro usando como elemento propulsor agua líquida, utilizando
materiales sencillos y de bajo costo, con el fin de verificar experimentalmente los
principios físicos involucrados en el funcionamiento del mismo.
OBJETIVOS ESPECIFICOS:

Verificar experimentalmente el Principio de Pascal
Verificar experimentalmente la 3º ley de Newton
Verificar experimentalmente los principios del Movimiento Uniformemente
Acelerado y las ecuaciones del tiro parabólico.
Comprender los principios de la caída libre con rozamiento
Comprender principios básicos de Aerodinámica
MATERIALES:

Básico                                                Mejoras ( opcional)

- Botella de plástico (600 ml)                        - Hilo y bolsas de plástico para (paracaídas)

- Tapón de corcho o de goma                           - Cartón (para hacer un cono)

- Bomba de aire para bicicleta                        - Cartón (para alerones)

- Agua                                                - Pinturas de colores

- Aguja de hinchador o canutillo de bolígrafo


                                     FUNCIONAMIENTO:

         Fase: El llenado de combustible
         El cohete va a funcionar utilizando como "combustible", un líquido que
         propulsará el cohete, en nuestro caso, agua utilizando el principio de acción
         y reacción. En nuestras pruebas la cantidad óptima es alrededor de 1/3 de
         la capacidad de la botella, para cantidades mucho mayores,(más de la
         mitad) la botella despegará con gran parte de agua en su interior lo que
         hará que alcance una menor altura, en caso contrario, si se ha llenado con
         poca agua, se realiza un menor impulso inicial y también alcanzaremos
         menor altura, el llenado es pues, una fase importante, debemos, realizar
         distintas pruebas hasta determinar la cantidad de agua más adecuada.
         2ª Fase: El taponado y puesta en marcha Una vez cargada, tapamos
         nuestra botella con un tapón de corcho o de goma de laboratorio, en el que
         previamente hemos introducido una aguja de inflador de balones o un
         canutillo de bolígrafo. Esta es la fase más crítica, en la construcción de los
         cohetes de agua y de ella depende gran parte del éxito del vuelo, el tapón
         debe quedar lo más hermético posible, para que en el momento del inflado
         no pierda agua, además cuanto más apretado este más presión de aire
         soportará por tanto el impulso inicial y la altura alcanzada será mayor.
         3ª Fase: El inflado y despegue Después de taponar bien el cohete y
         conectar la goma del inflador colocamos, con ayuda de una plataforma, el
         cohete en posición vertical o inclinada en el caso de que queramos un vuelo
         parabólico y comenzamos a llenar la botella con ayuda del compresor de
         bicicleta, debemos tener paciencia porque esta fase puede llevar varios
         minutos.Al llenar el cohete de aire y comprimirlo estamos aumentando la
         presión en su interior, cuando la presión llega a un determinado valor el
         tapón salta y el líquido es desplazado contra el suelo, de esta forma se
         realiza una fuerza contra el mismo a la que según la tercera ley de Newton
         se le opone otra fuerza igual y en sentido contrario, esta fuerza es la que
         hace que los cohetes se eleven.
Por lo tanto podemos afirmar, como hemos dicho antes que la altura que toman
los cohetes es directamente proporcional a la presión a la que son sometidos los
cohetes; esto quiere decir que a mayor presión mayor altura. La presión a la que
podemos someter los cohetes está relacionada con lo ajustado que este el tapón,
cuanto más ajustado, podremos introducir más aire, y por lo tanto saldrá con
mayor velocidad.

      4ª Fase: El vuelo y aterrizaje1. El agua sale hacia abajo impulsando los
      cohetes, y haciendo que estos salgan despedidos; en el momento en que
      salen su velocidad es máxima, de unos 20 m/s. Como dato curioso es
      interesante reseñar que la velocidad a la que debe ir un cohete real para
      vencer el campo gravitatorio terrestre es de 11 km/s.
      2. Debido al rozamiento con el aire, y sobre todo a su peso que los atrae
      hacia la tierra debido a la atracción gravitatoria, los cohetes tienen una
      deceleración de 9,8 m/s² que los va frenando hasta alcanzar una altura
      máxima (25-100 m), en este momento su velocidad es 0 m/s.
      3. A partir de este momento los cohetes comienzan a descender, en el
      descenso se activa el sistema de apertura automática del paracaídas; que
      hace que el paracaídas se abra y este decelera la caída de los cohetes, que
      de esta forma caen con más suavidad evitando así que se dañen y
      haciendo posible su reutilización. La construcción y lanzamiento de cohetes
      propulsados o impulsados por agua constituye una experiencia pedagógica
      de gran utilidad para motivar e introducir a los niños
      y jóvenes en las leyes del movimiento de los cuerpos y losprincipios de la
      astronáutica. El anhelo del hombre por alcanzar las alturas se remonta
      hasta la muy remota antigüedad donde conseguimos los mitos griegos de
      Dédalo Ícaro entre otros quienes intentaron conquistar los cielos. Es el siglo
      XX con el desarrollo y aplicación de la física newtoniana que abre el
      camino a la conquista del espacio con los pioneros, el ruso Constantin
      Tsiolkowsky        el      alemán       Hermann         Oberth               y
      el norteamericano Robert Goddart a comienzos del siglo XX.Con el
      advenimiento de la carrera espacial, después de la segunda guerra mundial
      Rusos y Norteamericanos seré parten a los científicos e ingenieros
      alemanes quienes habían alcanzado mayor avance en cohetería y
      desarrollan sendos programas espaciales hasta nuestros días. Los jóvenes
      podrán disfrutar de la construcción y lanzamiento de cohetes propulsados
      por agua cuyo funcionamiento es muy sencillo, se llena la botella con
      aproximadamente 1/6 de agua, tapa con un tapón de corcho o goma bien
      ajustado y la situamos en posición vertical parado sobre sus
      propias alerones, al corcho se le introduce una aguja gruesa conectada a
      una manguera delgada a través de la cual introducimos aire a presión con
      una bomba de bicicleta, cuando la presión es suficientemente grande el
      tapón se dispara saliendo hacia abajo el agua y el cohete despega
      alcanzando alturas variables que pueden llegar a unos 80 m.
AVANCES DEL PROYECTO:
BUSQUEDA BIBLIOGRAFICA:




                       http://cohetehidarulico.blogspot.com/
                   http://es.wikipedia.org/wiki/Cohete_de_agua
   http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/fluidos/dinamica/cohete/cohete.htm
http://www.google.com.co/url?sa=t&rct=j&q=&esrc=s&frm=1&source=web&
cd=10&ved=0CFsQFjAJ&url=http%3A%2F%2Fwww.scribd.com%2Fdoc%2
                        F52893887%2FCohete-Hidraulico-
           3&ei=RFBsUeXbHYTa9QS84YCYCA&usg=AFQjCNGsd-
h96yVOpMLJS4FIx75uLPaKDw&sig2=0iy8N6MElOP4ILUu_Havvg&bvm=b
                                 v.45175338,d.eWU
http://www.astroelda.com/html/actividades/cohetes_propulsados_por_agua.
                                         htm
     http://www.slideshare.net/EscTecAmalia/proyecto-cohete-de-agua-
                                     12707812
           http://www.slideshare.net/ErnestoDiaz2/cohete-hidraulico
  https://2mp.conae.gov.ar/descargas/Materiales%20/Cohetes_de_Agua-
                             Manual_del_Educador.pdf
http://astronomovil.com/index.php?option=com_content&view=article&id=24
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  • 1. Física termodinámica y de Fluidos Proyecto: COHETE HIDRAÚLICO AVANCES - 2 - CORTE Presentado a: Javier Bobadilla Presentado Por: Jair Herrera William Ramos Alexandra Segura Gómez Bogotá D.C Abril de 2013 Escuela Colombiana de Carreras Industriales – ECCI
  • 2. INTRODUCCION Y ANTECEDENTES: La propulsión a chorro es conocida por el hombre desde hace más de 2000 años, cuando Herón de Alejandría invento un artefacto conocido como eolípila, el cual era un dispositivo esférico con 2 tubos diametralmente opuestos que expulsaban vapor que estaba al interior de la esfera y que provenía de un depósito de agua que se calentaba y que estaba conectado por 2 tubos a la esfera y que a su vez servían de soporte y eje de giro de la misma, ya que al salir el vapor, producía el empuje necesario para hacer rotar la esfera sobre su eje. (Ver figura 1). (Figura 1. Replica moderna de una eolípila de Heron.) Esta máquina fue desarrollada por simple curiosidad científica de su inventor pero desafortunadamente nunca pasó de ser más que un juguete exótico, sin que nadie se percatara de sus usos prácticos. Tuvieron que pasar más de 1500 años para que hombres como el propio Galileo Galilei, y el gran Sir Isaac Newton sentaran las bases teóricas que permitirían explicar fenómenos como el mostrado en este artefacto.
  • 3. MARCO TEÓRICO: Para una clara comprensión de los fenómenos que se analizaran a través del experimento propuesto, es necesario primero conocer y recordar algunos conceptos y leyes físicas en los que se fundamenta esta actividad y que se relacionaran a continuación: Principio de Arquímedes: todo cuerpo sumergido en un fluido experimenta un empuje vertical y hacia arriba igual al peso de fluido desalojado. Principio de Pascal: La presión ejercida sobre la superficie de un líquido contenido en un recipiente cerrado se transmite a todos los puntos del mismo con la misma intensidad. (Ver figura 2) (Figura 2. Representación Grafica del principio de Pascal) Leyes de Newton: Primera Ley de Newton o Segunda Ley de Newton o Tercera Ley de Newton o Ley de Inercia Ley de Fuerza Ley de acción y reacción Todo cuerpo permanece en estado de Siempre que una fuerza no equilibrada Cuando una fuerza determinada actúa reposo o continúa con un movimiento actúe sobre un cuerpo, se produce una sobre un cuerpo, éste reacciona con rectilíneo uniforme, siempre y cuando aceleración en la dirección de la fuerza una fuerza con igual magnitud, pero en una fuerza externa no actúe sobre él. que es directamente proporcional a la sentido Opuesto. fuerza e inversamente proporcional a la masa del cuerpo. Tiro Parabólico y Caída libre: Aplican los conceptos ya conocidos del movimiento uniforme rectilíneo y movimiento uniforme acelerado, junto con sus respectivas ecuaciones
  • 4. OBJETIVO GENERAL: Diseñar y construir un dispositivo funcional que se desempeñe como un cohete de propulsión a chorro usando como elemento propulsor agua líquida, utilizando materiales sencillos y de bajo costo, con el fin de verificar experimentalmente los principios físicos involucrados en el funcionamiento del mismo.
  • 5. OBJETIVOS ESPECIFICOS: Verificar experimentalmente el Principio de Pascal Verificar experimentalmente la 3º ley de Newton Verificar experimentalmente los principios del Movimiento Uniformemente Acelerado y las ecuaciones del tiro parabólico. Comprender los principios de la caída libre con rozamiento Comprender principios básicos de Aerodinámica
  • 6. MATERIALES: Básico Mejoras ( opcional) - Botella de plástico (600 ml) - Hilo y bolsas de plástico para (paracaídas) - Tapón de corcho o de goma - Cartón (para hacer un cono) - Bomba de aire para bicicleta - Cartón (para alerones) - Agua - Pinturas de colores - Aguja de hinchador o canutillo de bolígrafo FUNCIONAMIENTO: Fase: El llenado de combustible El cohete va a funcionar utilizando como "combustible", un líquido que propulsará el cohete, en nuestro caso, agua utilizando el principio de acción y reacción. En nuestras pruebas la cantidad óptima es alrededor de 1/3 de la capacidad de la botella, para cantidades mucho mayores,(más de la mitad) la botella despegará con gran parte de agua en su interior lo que hará que alcance una menor altura, en caso contrario, si se ha llenado con poca agua, se realiza un menor impulso inicial y también alcanzaremos menor altura, el llenado es pues, una fase importante, debemos, realizar distintas pruebas hasta determinar la cantidad de agua más adecuada. 2ª Fase: El taponado y puesta en marcha Una vez cargada, tapamos nuestra botella con un tapón de corcho o de goma de laboratorio, en el que previamente hemos introducido una aguja de inflador de balones o un canutillo de bolígrafo. Esta es la fase más crítica, en la construcción de los cohetes de agua y de ella depende gran parte del éxito del vuelo, el tapón debe quedar lo más hermético posible, para que en el momento del inflado no pierda agua, además cuanto más apretado este más presión de aire soportará por tanto el impulso inicial y la altura alcanzada será mayor. 3ª Fase: El inflado y despegue Después de taponar bien el cohete y conectar la goma del inflador colocamos, con ayuda de una plataforma, el cohete en posición vertical o inclinada en el caso de que queramos un vuelo parabólico y comenzamos a llenar la botella con ayuda del compresor de bicicleta, debemos tener paciencia porque esta fase puede llevar varios minutos.Al llenar el cohete de aire y comprimirlo estamos aumentando la presión en su interior, cuando la presión llega a un determinado valor el tapón salta y el líquido es desplazado contra el suelo, de esta forma se realiza una fuerza contra el mismo a la que según la tercera ley de Newton se le opone otra fuerza igual y en sentido contrario, esta fuerza es la que hace que los cohetes se eleven.
  • 7. Por lo tanto podemos afirmar, como hemos dicho antes que la altura que toman los cohetes es directamente proporcional a la presión a la que son sometidos los cohetes; esto quiere decir que a mayor presión mayor altura. La presión a la que podemos someter los cohetes está relacionada con lo ajustado que este el tapón, cuanto más ajustado, podremos introducir más aire, y por lo tanto saldrá con mayor velocidad. 4ª Fase: El vuelo y aterrizaje1. El agua sale hacia abajo impulsando los cohetes, y haciendo que estos salgan despedidos; en el momento en que salen su velocidad es máxima, de unos 20 m/s. Como dato curioso es interesante reseñar que la velocidad a la que debe ir un cohete real para vencer el campo gravitatorio terrestre es de 11 km/s. 2. Debido al rozamiento con el aire, y sobre todo a su peso que los atrae hacia la tierra debido a la atracción gravitatoria, los cohetes tienen una deceleración de 9,8 m/s² que los va frenando hasta alcanzar una altura máxima (25-100 m), en este momento su velocidad es 0 m/s. 3. A partir de este momento los cohetes comienzan a descender, en el descenso se activa el sistema de apertura automática del paracaídas; que hace que el paracaídas se abra y este decelera la caída de los cohetes, que de esta forma caen con más suavidad evitando así que se dañen y haciendo posible su reutilización. La construcción y lanzamiento de cohetes propulsados o impulsados por agua constituye una experiencia pedagógica de gran utilidad para motivar e introducir a los niños y jóvenes en las leyes del movimiento de los cuerpos y losprincipios de la astronáutica. El anhelo del hombre por alcanzar las alturas se remonta hasta la muy remota antigüedad donde conseguimos los mitos griegos de Dédalo Ícaro entre otros quienes intentaron conquistar los cielos. Es el siglo XX con el desarrollo y aplicación de la física newtoniana que abre el camino a la conquista del espacio con los pioneros, el ruso Constantin Tsiolkowsky el alemán Hermann Oberth y el norteamericano Robert Goddart a comienzos del siglo XX.Con el advenimiento de la carrera espacial, después de la segunda guerra mundial Rusos y Norteamericanos seré parten a los científicos e ingenieros alemanes quienes habían alcanzado mayor avance en cohetería y desarrollan sendos programas espaciales hasta nuestros días. Los jóvenes podrán disfrutar de la construcción y lanzamiento de cohetes propulsados por agua cuyo funcionamiento es muy sencillo, se llena la botella con aproximadamente 1/6 de agua, tapa con un tapón de corcho o goma bien ajustado y la situamos en posición vertical parado sobre sus propias alerones, al corcho se le introduce una aguja gruesa conectada a una manguera delgada a través de la cual introducimos aire a presión con una bomba de bicicleta, cuando la presión es suficientemente grande el tapón se dispara saliendo hacia abajo el agua y el cohete despega alcanzando alturas variables que pueden llegar a unos 80 m.
  • 9. BUSQUEDA BIBLIOGRAFICA: http://cohetehidarulico.blogspot.com/ http://es.wikipedia.org/wiki/Cohete_de_agua http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/fluidos/dinamica/cohete/cohete.htm http://www.google.com.co/url?sa=t&rct=j&q=&esrc=s&frm=1&source=web& cd=10&ved=0CFsQFjAJ&url=http%3A%2F%2Fwww.scribd.com%2Fdoc%2 F52893887%2FCohete-Hidraulico- 3&ei=RFBsUeXbHYTa9QS84YCYCA&usg=AFQjCNGsd- h96yVOpMLJS4FIx75uLPaKDw&sig2=0iy8N6MElOP4ILUu_Havvg&bvm=b v.45175338,d.eWU http://www.astroelda.com/html/actividades/cohetes_propulsados_por_agua. htm http://www.slideshare.net/EscTecAmalia/proyecto-cohete-de-agua- 12707812 http://www.slideshare.net/ErnestoDiaz2/cohete-hidraulico https://2mp.conae.gov.ar/descargas/Materiales%20/Cohetes_de_Agua- Manual_del_Educador.pdf http://astronomovil.com/index.php?option=com_content&view=article&id=24 &Itemid=53